تطبيق على microfluidics لالكهربية
أكتوبر 1, 2007
اسمي ديف إدينغتون، وأنا أستاذ مساعد في قسم الهندسة الحيوية بجامعة إلينوي في شيكاغو. وينصب تركيز عملنا بشكل أساسي على تطبيق التقنيات الدقيقة في التطبيقات الطبية الحيوية، وتحديداً باستخدام أجهزة الموائع الدقيقة.
سنعرض لكم اليوم أحد مشاريعنا، والذي يتضمن استخدام جهاز للموائع الدقيقة (microfluidic device) يتكيف مع غرفة تروية قياسية لشرائح الدماغ لتوفير تحفيز مكاني وزماني لشريحة الدماغ. حالياً، في تحضيرات الشرائح ل الفيزيولوجيا الكهربائية، تكون التطبيقات الرئيسية للنواقل العصبية على الشريحة إما بشكل شامل عبر شريحة الدماغ بأكملها، حيث يتم تحفيز شريحة الدماغ كاملة في وقت واحد، أو باستخدام ماصة مجهرية لنفث النواقل العصبية في نقاط زمنية مختلفة.
تُعد شريحة الدماغ بنية معقدة للغاية، وعندما يتم تطبيق النواقل العصبية بشكل عام أو استخدام ماصة دقيقة، لا يمكن إعادة إنتاج أنماط التحفيز الموجودة في الجسم الحي. بينما من خلال منصتنا، نتمكن من التحكم في التحفيز في مناطق محددة للغاية عبر شريحة الدماغ وتحقيق تحفيز يشابه الظروف في الجسم الحي. وتظهر هنا أنظمة التروية الحالية حيث يتم تركيبها على شريحة زجاجية غطائية قياسية.
وهذا يسمح بتروية الوسط عبر الشريحة بأكملها. ومع ذلك، لا يمكنك التحكم مكانيًا في دقة الناقل العصبي الذي يستخدمه جهاز التحفيز الخاص بك. لذا، قمنا بتطوير جهاز micro flic الذي يتصل بغرفة التروية القياسية هذه.
لذلك، يمكن استخدام جميع فحوصات الفيزيولوجيا الكهربائية القياسية. والميزة المختلفة الوحيدة هي أنه بدلاً من قاعدة من الزجاج الغطائي، يتكون هذا من جهاز PDMS يحتوي على عدة ثقوب نافذة تتصل بقنوات مائعية دقيقة، والتي تتصل بدورها بفتحات في غرفة التروية العلوية، حيث يمكننا حينئذٍ تحفيز الناقلات العصبية عبر هذه الثقوب، ومن ثم عبر القنوات، ثم عبر الممرات، وصولاً إلى شريحة الدماغ. ونحن نستخدم تقنية تسمى الضخ السلبي لتوصيل السوائل.
لذلك، لا نحتاج إلى أي أنابيب معقدة تخرج من هذا الجهاز لأن علم الفيزيولوجيا الكهربائية يعد بالفعل إجراءً معقداً للغاية. ومن خلال تبسيط تصميم الجهاز واستخدام الضخ السلبي، فإننا نبسط البروتوكول التجريبي لتطبيق هذا الجهاز الموائع دقيقة. يتكون هيكل الجهاز من شبكة موائع دقيقة مكونة من طبقتين.
تتمثل الطبقة الأولى في قنوات التوجيه التي تتصل بمنافذ المخرج، بينما تتكون الطبقة الثانية من هذه الثقوب النافذة التي تربط هذه القنوات بالبئر. وقد تم تنفيذ هذه العملية التصنيعية باستخدام خطوات تصنيع دقيق قياسية ذات طبقتين، حيث تتوفر علامات محاذاة تضمن وضع هذه الممرات الرأسية مباشرة في مركز هذه القنوات الأربع. وقد صُمم هذا الجهاز ليتوافق مع غرفة profusion القياسية، وبذلك يمكن استخدام جميع فحوصات الفسيولوجيا الكهربائية نفسها.
وبذلك يمكننا وضع هذا الجهاز على منصة الفيزيولوجيا الكهربائية، مع توجيه العدسة الشيئية نحوه، وتوفير تحفيز موضعي عبر القنوات المائعية الدقيقة، دون تعقيد التجهيزات التجريبية بشكل غير ضروري بما يتجاوز حاجتها. ومن خلال الحفاظ على بساطة تصميم الجهاز قدر الإمكان، يمكننا نشر هذه المنصة بسهولة أكبر. أما بالنسبة لهيكلنا الحالي، فلدينا هذه الأشكال التي تشبه حرف V الأربعة في منتصف القنوات المائعية الدقيقة، ولكن يمكن تكييفها وفقاً لاحتياجات المختبرات المختلفة بناءً على منطقة الدماغ التي تتم دراستها.
وبذلك يمكن لمنطقة واحدة دراسة الحصين بينما تدرس منطقة أخرى القشرة الخارجية. ومن ثم يمكننا تحفيز تلك المناطق بناءً على كيفية تصميمنا لهذا الجهاز الموائع الدقيقة. وبما أن الجهاز لا يتطلب أي مكونات خارجية للتشغيل، فكل ما تحتاجه هو ماصة دقيقة لإضافة السوائل في هذه الفتحات باستخدام تقنية الضخ السلبي.
لا يحتاج مختبر الفيزيولوجيا الكهربائية القياسي إلى اقتناء أي معدات إضافية بخلاف هذه الركيزة السفلية لاستخدام هذا الجهاز. لذا، فقد ركزنا حتى هذه المرحلة من المشروع على ربط القنوات الموائعية الدقيقة بغرف التروية القياسية. والآن، يتمثل الجزء التالي من المشروع في اختبار هذا الجهاز فعلياً في أبحاث قائمة على فرضيات باستخدام تحضيرات الشرائح هذه.
وهكذا، فقد أثبتنا أنه باستخدام الصبغة الفلورية، يمكننا تحفيز مناطق مختلفة مكانيًا عن طريق حقن هذه النظائر الفلورية في القنوات. والخطوة التالية هي إجراء التجارب البيولوجية الفعلية. وبذلك، يصل مجال الموائع الدقيقة إلى نقطة تحول.
إننا نتجاوز الآن مرحلة إثبات المفاهيم المبتكرة، ونقوم فعلياً باستخدام هذه الأجهزة لاكتشاف أشياء جديدة ومثيرة كان من المستحيل تحقيقها سابقاً. لذا، فإن هذا المجال ينتقل من التقنيات التي استخدمنا فيها المبادئ المتاحة على المقياس الميكروي، مثل الانتشار السريع، والتدفق الصفائحي، ونسب المساحة إلى الحجم الكبيرة، وتكامل العمليات، لنقوم الآن باستخدام هذه المبادئ وتطبيقها لتلبية الاحتياجات غير الملباة في المختبر وفي العيادة.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تناقش هذه المقالة تطبيق أجهزة الموائع الدقيقة في العلوم العصبية، وتحديداً في التحفيز المكاني الزمني لشرائح الدماغ. وتعزز هذه الطريقة دقة تطبيق النواقل العصبية مقارنة بالتقنيات التقليدية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- علم الأعصاب
- الهندسة الحيوية
- الموائع الدقيقة
خلفية علمية
- تُستخدم تحضيرات شرائح الفيزيولوجيا الكهربائية بشكل شائع في العلوم العصبية.
- تفتقر الطرق الحالية لتطبيق النواقل العصبية إلى الدقة الكافية.
- تقدم الأجهزة الموائعية الدقيقة نهجًا جديدًا لتعزيز تقنيات التحفيز.
- يمكن تكييف غرف تروية شرائح الدماغ القياسية لتحسين وظائفها.
الغرض من الدراسة
- لإثبات كفاءة جهاز ميكروفلويديك يتيح التحفيز المكاني والزماني لشرائح الدماغ.
- لتحسين تطبيق الناقلات العصبية في الدراسات الفيزيولوجية الكهربائية.
- لتوفير بيئة أكثر ضبطاً لتجارب شرائح الدماغ.
الطرق المستخدمة
- تطوير جهاز مائعيات دقيقة متوافق مع غرف تروية شرائح الدماغ.
- تطبيق الناقلات العصبية باستخدام نظام المائعيات الدقيقة.
- مقارنة تقنيات التحفيز: الشامل مقابل الموضعي.
- القياسات الفيزيولوجية الكهربائية لتقييم فعالية التحفيز.
النتائج الرئيسية
- يتيح الجهاز الموائع الدقيقة التحكم الدقيق في توصيل الناقلات العصبية.
- يظهر التحفيز المكاني الزماني نتائج محسنة مقارنة بالطرق التقليدية.
- نتائج تجريبية معززة في تحضيرات شرائح الدماغ.
- إمكانية توسيع نطاق التطبيقات في أبحاث العلوم العصبية.
الاستنتاجات
- تؤدي الأجهزة الموائع مجهرية (Microfluidic devices) إلى تحسين تطبيق النواقل العصبية في شرائح الدماغ بشكل كبير.
- يمكن لهذه التقنية أن تدفع الدراسات الفيزيولوجية الكهربائية والأبحاث ذات الصلة إلى الأمام.
- قد تستكشف الدراسات المستقبلية تطبيقات إضافية لهذه الطريقة.
الأسئلة الشائعة
الأهمية التنفيذية في الصناعة
يعالج هذا التكامل بين الموائع الدقيقة والفيزيولوجيا الكهربائية حاجة أساسية غير ملباة في اكتشافات العلوم العصبية، وهي تحقيق توصيل للمعدِّلات العصبية يتم التحكم فيه مكانياً وزمنياً إلى شرائح الدماغ. ومن خلال تمكين أنماط تحفيز خاصة بكل منطقة تحاكي الظروف الحيوية (in vivo) بشكل أفضل، تعزز هذه المنصة من الثقة التنبؤية في التحقق من الأهداف والحد من المخاطر الميكانيكية لبرامج اكتشاف أدوية الجهاز العصبي المركزي (CNS). كما يدعم تصميم الضخ السلبي والمبسط الاعتماد الواسع لهذه التقنية عبر سير عمل الفيزيولوجيا الكهربائية دون الحاجة إلى بنية تحتية متخصصة.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير للصناعات الدوائية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- القيمة العلمية: تتيح استقصاء الفرضيات العلاجية من خلال التحكم المكاني الدقيق في تطبيق المغيرات العصبية عبر مناطق محددة من الدماغ.
- القيمة التشغيلية: تلغي الحاجة إلى استخدام الماصات الدقيقة، مما يقلل من التباين التقني في تجارب توصيل النواقل العصبية.
- القيمة التنبؤية: تدعم التحقق من الأهداف الوظيفية من خلال إعادة إنتاج أنماط تحفيز أكثر صلة من الناحية الفسيولوجية مقارنة بالتروية الشاملة.
الفحص وتطوير المقايسة
- جاهزية المقايسة: تجهيز أنظمة شرائح دماغية مُصادق عليها لفحص المركبات اللاحقة من خلال وضع بروتوكولات تحفيز موضعية وقابلة للتكرار.
- المخرجات الكمية: تسهيل قياس الاستجابات الفيزيولوجية الكهربائية الخاصة بكل منطقة، مما يتيح إجراء تحليلات الاستجابة للجرعة والتحليلات الحركية.
- إعادة استخدام المنصة: التكيف مع مناطق دماغية مختلفة (مثل hippocampus، وcortex) عبر إعادة تصميم القنوات الموائعية الدقيقة، مما يدعم حملات الفحص متعددة الأهداف.
الأبحاث الانتقالية وقبل السريرية
- الاستمرارية الترجمية: يربط بين مراحل الاكتشاف والمراحل قبل السريرية من خلال توفير نظام ذي صلة بالمرض لاختبار تأثيرات المعدلات العصبية في أنسجة عصبية منظمة.
- تقليل المخاطر الآلية: يوضح تأثيرات الأدوية الخاصة بمسارات معينة من خلال التحفيز الإقليمي المعزول، مما يقلل من الغموض في دراسات ارتباط الهدف.
- التقدم المعدل وفقاً للمخاطر: يدعم قرارات المضي قدماً من عدمه (go/no-go) عبر الكشف المبكر عن الفعالية المعتمدة على المنطقة والإشارات خارج الهدف في مسار الاكتشاف.
تكامل تدفق العمل ومسار المعالجة
تدمج هذه الطريقة في سلسلة الاكتشافات بدءاً من التحقق الأولي من الهدف وصولاً إلى التقييم قبل السريري، مما يتيح إجراء دراسات ميكانيكية ذات دقة مكانية تعزز الثقة في اختيار أهداف الجهاز العصبي المركزي (CNS) وتحسين المركبات الرائدة.
- بيولوجيا الاكتشاف: تدعم اختبار الفرضيات وتوضيح المسارات من خلال تمكين عزل المتغيرات المستقلة (على سبيل المثال، التعرض للمعدلات العصبية الإقليمية) في التحضيرات العصبية المعقدة.
- الفحص: تعزز قابلية تكرار المقايسة والقراءات الكمية من خلال توصيل السوائل الموحد المدفوع بمضخة سلبية عبر القنوات المائعية الدقيقة.
- التحليلات: تولد قياسات فيزيولوجية كهربائية خاصة بالظروف تتيح للفرق مقارنة الاستجابات الإقليمية وتقييم قوة المحفز وانتقائيته.
- الأبحاث الانتقالية: تربط الاستمرارية قبل السريرية باستخدام شرائح الدماغ كنظام ذي صلة بالمرض لتقييم تأثيرات المعدلات العصبية في بنية الأنسجة المحفوظة.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: صُممت كمنصة قابلة لإعادة الاستخدام متوافقة مع غرف التروية القياسية، مما يقلل من احتياجات إعادة التحقق عبر المختبرات والمشاريع.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تزيد من الثقة التنبؤية في التحقق من صحة الأهداف عن طريق تقليل الغموض الميكانيكي من خلال التحفيز الموجه مكانيًا.
- القيمة التشغيلية: تحسن قابلية التكرار والتوسع عبر الضخ السلبي، مما يلغي الاعتماد على المضخات الخارجية أو الأنابيب المعقدة.
- القيمة الاستراتيجية: تعزز كفاءة رأس المال من خلال تمكين الاختبارات المناطقية المتعددة ضمن إعداد واحد للفيزيولوجيا الكهربائية، مما يقلل من تكرار المقايسات.
- تأثير المحفظة: تدعم تحديد الأولويات المعدلة حسب المخاطر من خلال تقديم بيانات أكثر وضوحًا حول العلاقة بين البنية والنشاط وارتباط الهدف عبر المناطق الفرعية للدماغ.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في التعامل مع أجهزة الموائع الدقيقة وتكامل إعدادات الفيزيولوجيا الكهربائية.
- يعتمد على إمكانية الوصول إلى غرف تروية شرائح الدماغ القياسية وأنظمة التصوير المجهري.
- يستلزم توحيد المعايير بين الفرق لضمان اتساق تثبيت الأجهزة ومحاذاة القنوات بين المستخدمين.
- يتضمن اعتبارات التكيف عند استهداف مناطق مختلفة من الدماغ من خلال إعادة تصميم الممرات وتخطيطات القنوات في أجهزة الموائع الدقيقة.
- يقتصر على الحاجة إلى التحقق الفلوري أو الفيزيولوجي الكهربائي لتأكيد التوصيل الناجح للمعدلات العصبية إلى المناطق المستهدفة.
